Конструктивный расчет электролизера

Конструктивный расчет служит для определения основных размеров электролизера, количества и размеров элементов его конструкции. Любой алюминиевый электролизер состоит из следующих основных частей:

- анодное устройство;

- катодное устройство;

- ошиновка;

- система газоулавливания;

- система автоматического питания ванн глинозёмом (АПГ).

Расчёт анодного устройства

Анодное устройство электролизера предназначено для подвода электрического тока в зону протекания процесса электролиза. Анодное устройство состоит из несущей рамы с токоподводящей алюминиевой шиной, вертикально закреплённых на ней штырей, анодного кожуха, заполненного электродной массой и механизмов перемещения анода и анодного кожуха.

В технологии Содерберга анодная масса, приготовленная на основе нефтяного кокса и каменноугольного пека, загружается в верхнюю часть стального кожуха. По мере расходования анода анодная масса непрерывно продвигается к подошве анода в зону высоких температур. Каменноугольный пек при этом претерпевает термические изменения, в результате которых формируется обожженное электропроводное углеродное тело.

Размеры анода

Зная силу тока и анодную плотность тока, определяют площадь анода Sa, см²

                                                                          (15)

где I - сила тока, А

d_a - анодная плотность тока, А/см²

Sa = ---------------

Электролизёр С–8БМ имеет анод прямоугольного сечения шириной Ва = 285см. Тогда длина анода Lа, см равна:

                                                                            (16)

где Sа – площадь анода, см²

Bа – ширина анода, см

La = ------------------

Расчет количества токоподводящих штырей

Количество токоподводящих штырей зависит от силы тока и допустимой для штырей плотности тока d_ш. Анодные штыри являются составными и имеют следующие размеры, мм:

- общая длина – 2700;

- длина стальной конусной части – 1950;

- длина алюминиевой штанги – 1040;

- максимальный диаметр, Dmax – 138;

- минимальный диаметр, Dmin – 100.

Так как стальная часть штыря имеет форму конуса, то расчёт ведут по среднему диаметру D_ш

D_ш =                                                    (17)

где Dmax и Dmin – максимальный и минимальный диаметры штыря, мм.

D_ш = ------------------

Площадь сечения одного штыря S_ш, мм² равна

S_ш  =                                                          (18)

S_ш  =--------------------                                                                        

Общая площадь сечения всех штырей S_О, мм² определяется по формуле

S_О =                                                          (19)

где I - сила тока, А;

d_ш - 0,2 А/мм², допустимая плотность тока в стальной части штыря.

S_О = ----------------

Зная площади сечения всех штырей и одного штыря, определяют количество штырей, К, шт.:

К =                                             (20)

К = ----------------

Штыри на анодной раме расположены симметрично в четыре ряда, поэтому принимаем их количество кратным четырём, то есть ____ штук, по____ в ряду.

Расчёт катодного устройства

Катодное устройство электролизёра предназначено для протекания процесса электролиза в криолитоглиноземном расплаве. Катодное устройство состоит из стального сварного кожуха, теплоизоляционной футеровки (цоколя) днища и углеродной футеровки, образующей шахту электролизёра. Катодные блоки с токоотводящими стальными блюмсами устанавливаются в кожух ванны на огнеупорную и теплоизоляционную футеровки. Блоки устанавливаются поперек ванны рядами, при этом свободные концы блюмсов выходят наружу через окна в продольных сторонах кожуха. Количество блоков зависит от их ширины и длины шахты ванны.

Межблочные и периферийные швы заполняются подовой массой на основе термоантрацита или прокаленного кокса. В качестве связующего материала используется каменноугольный пек.

Размеры шахты электролизёра

Шахтой является внутреннее пространство электролизёра, где находятся жидкий алюминий, электролит и происходит процесс электролиза. Подина выложена катодными блоками с блюмсами, боковые стенки – прямоугольными и угловыми угольными плитами.

Рисунок 1 - Схема анода и шахты электролизёра

Внутренние размеры шахты рассчитывают, зная ширину и длину анода (формула 16) и расстояния от анода до стенок боковой футеровки (рисунок 1). Для данного типа электролизёра установлено, что расстояние

- от торца анода до торцевой футеровки кожуха, b = 55 см.

- от продольной стороны анода до боковой футеровки кожуха, a = 65 см

Для электролизеров с самообжигающимся анодом эти расстояния связаны с размещением АПГ и удобством обработки ванны.

Тогда длина Lш, см и ширина Вш, см шахты будут:

Lш = Lа + 2b                                                     (21)

Lш =                                                                                          

Вш = Ва + 2a                                                               (22)

Вш =                                                                                               

Бортовые блоки должны обладать низкой электропроводностью (т.к. не предназначены для прохождения через них тока) и высокой теплопроводностью (с целью интенсивного отвода тепла и создания надежных бортовых настылей).

Глубину шахты электролизёра принимаем Нш = 56,5 см, как в С-8БМ.

Расчёт подины

Катодное устройство электролизёра имеет сборно-блочную подину, смонтированную из коротких и длинных прошивных обожженных блоков вперевязку. Размеры катодных блоков:

- высота     h_б = 40 см,

- ширина    b_б = 55 см,

- длина       l_б от 110 до 400 см.

При данной ширине шахты ______ см применяют катодные блоки:

- короткие l _кб = 160 см

- длинные  l _дб = 220 см

Для отвода тока от подины в подовые блоки вставлены и залиты чугуном прямоугольные стальные полосы (блюмсы) размером 230х115 мм:

- для блока 160 см длина блюмса 219 см;

- для блока 220 см  длина блюмса 279 см.

Катодный блок с заделанным блюмсом называется катодной секцией. Число рядов секций в подине, Nр определяют, исходя из длины шахты:

                                                           (23)

где Lш – длина шахты, см

b_б – ширина катодного блока, см

с – ширина шва между всеми блоками, 4 см.

Nр = --------

По длине шахты можно уложить ____ рядов секций с перевязкой центрального шва. Общее число коротких и длинных катодных секций Nс, равно:

Nс = Nр * 2                                       (24)

Nс =                                                                                                           

Подина данного электролизера монтируется из ____ подовых секций. Межблочные швы при монтаже подины заделываются холоднонабивной подовой массой (ХНПМ).

После установки катодных блоков, по периферии цоколя выкладывают пояс из шамотного кирпича (бровку), тщательно подгоняя кирпич под блюмсы. Создание плотной среды вокруг блюмсов  препятствует просачиванию расплава к ним и проникновению воздуха к угольной футеровке. Бровка служит также основанием для установки боковых плит.

Пространство между бровкой и подовыми блоками - периферийные швы - будет равны:

- в торцах подины, bт,

b_т =                                                  (25)

b_т = ---------------------------------

- по продольным сторонам, bп: 

b_п =                                                             (26)

b_п = -------------------------------

Периферийные швы при монтаже подины заполняются ХНПМ.

Размеры катодного кожуха

Контрфорсный катодный кожух применяется на электролизерах ВТ и ОА средней и большой мощности, расположенных в двухэтажных корпусах. Катодный кожух представляет собой «корыто», изготовленное из листовой стали. С обеих продольных сторон к кожуху с помощью стяжных шпилек прижимаются контрфорсы, нижний конец которых упирается в торцы бетонной балки. При возникновении в подине усилий они воспринимаются контрфорсами, а распорная балка препятствует деформации продольных стенок кожуха.

Размеры катодного кожуха определяются из рассчитанных ранее размеров шахты электролизёра (формулы 21, 22) и толщины слоя теплоизоляционных материалов.

Длина катодного кожуха Lк, см:

Lк = Lш + 2 (Пу + 3,5)                                                        (27)

где Lш - длина шахты, см;

Пу - толщина угольной боковой плиты, 20 см;

3,5 – толщина теплоизоляционной засыпки в торцах электролизёра, см.

Lк =                                                                                                     

Ширина катодного кожуха Вк, см:

Вк = Вш + 2 (Пу + 5)                                                       (28)

где Вщ - ширина шахты, см;

5 – толщина теплоизоляционной засыпки в продольных сторонах электролизёра, см.

Вк =                                                                                                      

Высота катодного кожуха Нк, см рассчитывается по высоте футеровки Н_ф, см и глубине шахты Нш, см.

Нк = Н_ф + Нш                                                                             (29)

где Н_ф - футеровка днища катодного кожуха выполняется снизу вверх:

- теплоизоляционная засыпка 5 см;

- два ряда вермикулитовых плит 2 6,5 см;

- три ряда огнеупорного шамотного кирпича 3 6,5 см;

- сухая барьерная смесь (СБС из глинозема, силикатов, оксида кальция и магния) 5 см;

- подовый блок h_б см.

Тогда высота катодного кожуха Нк, см будет:

Нк =                                                                                                                           

Число контрфорсов равно ____, по ____ с каждой продольной стороны. Стенки катодного кожуха изготовлены из листовой стали толщиной 10 мм, днище 12 мм. Кожух снаружи укреплен поясами жесткости из двутавровых балок или швеллеров.

К верху кожуха приваривается толстая стальная пластина – фланцевый лист, предохраняющий бортовые блоки от механического повреждения обрабатывающей техникой. Пространство под фланцевым листом заполняется набивной массой на основе карбида кремния SiC.

Когда подина полностью смонтирована, её поверхность обрабатывают тонким слоем пасты из боридов и карбидов титана и циркония. Это способствуют смачиванию угля алюминием и позволяет уменьшить перепад напряжения в контакте жидкий алюминий – подина на 30–50 мВ.